Schwarze Löcher gibt es vielleicht nicht, aber Fuzzballs schon, so eine wilde Theorie

Schwarze Löcher sind mit Abstand die geheimnisvollsten Objekte im Universum. Sie sind Objekte im Kosmos, an denen unser gesamtes Wissen über die Physik zusammenbricht.

Und doch gibt es sie, trotz ihrer scheinbaren Unmöglichkeit. Was aber, wenn diese Gravitationsmonster gar keine Schwarzen Löcher sind, sondern eher das kosmische Äquivalent von unscharfen, vibrierenden Bällen aus Schnüren?

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass dies der Fall sein könnte, und dass wir sie bei künftigen Beobachtungen vielleicht sogar sehen können.

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Das Problem der Schwarzen Löcher

Schwarze Löcher tauchen in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie auf, und eigentlich dürften sie gar nicht existieren. Wenn in dieser Theorie ein Materieklumpen auf ein winziges Volumen zusammengedrückt wird, kann die Schwerkraft überwältigend stark werden. Diese irrsinnige Gravitationskompression kann jede der anderen vier Grundkräfte der Natur verdrängen – wie die starke Kernkraft, die diesen Materieklumpen zusammenhält. Sobald eine bestimmte kritische Schwelle erreicht ist, wird der Materieklumpen immer weiter zusammengedrückt und zu einem unendlich winzigen Punkt komprimiert.

Dieser unendlich winzige Punkt wird als Singularität bezeichnet und ist von einer Fläche umgeben, die als Ereignishorizont bekannt ist – der Ort, an dem die Anziehungskraft der Schwerkraft die Lichtgeschwindigkeit übersteigt.

Natürlich gibt es so etwas wie einen unendlich winzigen Punkt nicht, also ist dieses Bild falsch. Aber Mitte des 20. Jahrhunderts begannen Astronomen, Objekte zu finden, die wie Schwarze Löcher aussahen, sich wie Schwarze Löcher verhielten und wahrscheinlich auch wie Schwarze Löcher rochen. Obwohl sie unmöglich waren, schwebten sie im Universum herum.

Und das ist nicht das einzige Problem. 1976 erkannte der Physiker Stephen Hawking, dass schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind. Aufgrund der Seltsamkeiten der Quantenmechanik verdampfen schwarze Löcher langsam. Dies führte zu einem Paradoxon: Alle Informationen, die in ein schwarzes Loch fallen, werden darin eingeschlossen. Die Hawking-Strahlung nimmt diese Informationen jedoch nicht mit (zumindest, soweit wir wissen). Was passiert also mit all den Informationen, wenn das schwarze Loch schließlich verdampft?

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Eine fadenförmige Lösung

Über Jahrzehnte hinweg haben theoretische Physiker hart daran gearbeitet, etwas – irgendetwas – zu finden, das Schwarze Löcher erklärt. Etwas, das das Informationsparadoxon erklärt und etwas, das die Singularität durch eine funktionierende Mathematik ersetzt.

Zu diesen Theoretikern gehören diejenigen, die an der Stringtheorie arbeiten, einem Modell des Universums, bei dem alle Teilchen und Kräfte, die Sie kennen, durch subatomare, schwingende Strings ersetzt werden. In der Stringtheorie sind diese Strings die Grundbausteine der Materie im Universum, aber wir können sie nicht als Strings sehen, weil sie so klein sind. Oh, und damit die Mathematik der Stringtheorie funktioniert, muss es zusätzliche Dimensionen geben – alle winzig klein und auf sich selbst zusammengerollt bis zu subatomaren Größenordnungen, so dass wir auch diese nicht sehen können.

Die Stringtheorie behauptet, eine Theorie von allem zu sein, die jede Art von Teilchen, jede Art von Kraft und im Grunde alles im Universum erklären kann (und, der Vollständigkeit halber, das gesamte Universum selbst).

Die Stringtheorie sollte also in der Lage sein, das Unerklärliche zu erklären: Sie sollte in der Lage sein, schwarze Löcher durch etwas weniger Beängstigendes zu ersetzen.

Und tatsächlich haben Stringtheoretiker einen weniger beängstigenden Ersatz für schwarze Löcher vorgeschlagen. Sie werden Fuzzballs genannt.

Das Garn entwirren

In der Stringtheorie sind schwarze Löcher weder schwarz noch Löcher. Stattdessen ist die beste Metapher, um zu erklären, was ein Fuzzball ist, ein Blick auf ein anderes kompaktes und seltsames Objekt im Universum: Neutronensterne.

Neutronensterne sind das, was passiert, wenn ein Objekt nicht genug Schwerkraft hat, um sich zu dem zu verdichten, was wir ein schwarzes Loch nennen. Im Inneren eines Neutronensterns wird die Materie in den Zustand der höchstmöglichen Dichte komprimiert. Neutronen sind einer der grundlegenden Bestandteile von Atomen, aber sie spielen normalerweise mit anderen Teilchen wie Protonen und Elektronen zusammen. Aber in einem Neutronenstern bricht diese Art von atomarer Kameradschaft zusammen und löst sich auf, so dass nur Neutronen zurückbleiben, die so eng wie möglich zusammengepfercht sind.

Bei Fuzzballs hören die fundamentalen Fäden auf, zusammenzuarbeiten, und drängen sich einfach zusammen und werden zu einem großen, nun ja, Ball aus Fäden. Ein Fuzzball.

Fuzzballs sind nicht einmal in der Theorie vollständig ausgearbeitet, denn so cool die Stringtheorie auch klingt, niemand war jemals in der Lage, eine vollständige mathematische Lösung für sie zu finden – und so sind Fuzzballs nicht nur in der physikalischen Realität unscharf, sondern auch in der mathematischen Möglichkeit.

Doch wir könnten in der Lage sein, Fuzzballs mit kommenden Untersuchungen zu finden, wie in einem am 27. Oktober im Preprint-Journal arXiv veröffentlichten Übersichtsartikel beschrieben. Wir fangen gerade erst an, die Existenz Schwarzer Löcher nicht mehr nur zu beweisen, sondern die Details ihres Verhaltens zu erforschen, und das geht am besten mit Hilfe von Gravitationswellen.

Wenn Schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen, setzen sie einen Tsunami von Gravitationswellen frei, die den Kosmos durchspülen und schließlich unsere Detektoren auf der Erde erreichen. Bei allen Dutzenden von Verschmelzungen schwarzer Löcher, die wir bisher beobachtet haben, entspricht die Gravitationswellensignatur genau dem, was die allgemeine Relativitätstheorie für schwarze Löcher vorhersagt.

Zukunftsinstrumente wie das fortschrittliche Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und die Laser Interferometer Space Antenna (ein geplanter weltraumgestützter Gravitationswellendetektor) könnten jedoch so empfindlich sein, dass sie den Unterschied zwischen normalen schwarzen Löchern und fadenförmigen Fuzzballs erkennen. Ich sage „vielleicht“, weil verschiedene Fuzzball-Modelle unterschiedliche Abweichungen vom Standardverhalten Schwarzer Löcher vorhersagen.

Wenn wir in der Lage sind, Beweise für Fuzzballs zu finden, würde dies nicht nur die Frage beantworten, was Schwarze Löcher wirklich sind; es würde einige der tiefsten Grundlagen der Natur offenbaren.

Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.